機器人手術(shù)系統的電源設計

想像一下，利用微創(chuàng )切口來(lái)進(jìn)行重大外科手術(shù)，就能大大減輕疼痛，縮短住院時(shí)間，讓病人更快恢復日?；顒?dòng)，并可獲得更佳的臨床效果。但直到最近，可用的外科手術(shù)方式還是非常有限的，只能采用大型切口的傳統開(kāi)放式手術(shù)或是腹腔鏡手術(shù)，這也就是一種利用光源導管通過(guò)小型切口進(jìn)行的手術(shù)。然而，盡管腹腔鏡手術(shù)是一種侵入性極低的手術(shù)，但由于儀器因素，通常只能用來(lái)進(jìn)行非常簡(jiǎn)單的步驟。受益于技術(shù)的突破，如今出現了另一種利用機器人輔助的微創(chuàng )手術(shù)。

這些手術(shù)系統結合了電腦和機器人技術(shù)，能用來(lái)實(shí)現機器人輔助腹腔鏡、胸腔鏡或內視鏡手術(shù)。通過(guò)向外科醫生提供這些加強的功能，微創(chuàng )手術(shù)將能夠以比傳統外科方法更佳的視覺(jué)化效果、精密度、靈敏度和控制來(lái)處理更多的情況。

微創(chuàng )機器人輔助手術(shù)的應用廣泛，從心臟手術(shù)到癌癥手術(shù)都能適用，可以治療多種病癥，例如前列腺癌、子宮內膜癌、病態(tài)型肥胖和二尖瓣回流等。這些系統以創(chuàng )新方式將機器人與外科技術(shù)結合在一起，讓外科醫生能為各種復雜病癥的病人提供最有效、侵入性最低的治療方式。

該設備的典型設置包括手術(shù)臺以及病人推車(chē)，推車(chē)上安裝了互動(dòng)式機器人手臂和一臺可觀(guān)看身體內部的高倍數3D影像監視器。造影和影像引導技術(shù)可為外科醫生提供有關(guān)重要身體內部結構和儀器位置的準確三維信息。

進(jìn)行手術(shù)時(shí)，外科醫生會(huì )利用像鉗子一樣的主控設備來(lái)操作。當外科醫生操作控制臺時(shí)，系統會(huì )對輸入產(chǎn)生實(shí)時(shí)反應，并將醫生的手部、腕部和手指動(dòng)作轉換成微型設備的精密動(dòng)作。圖1所示為機器人手術(shù)系統的照片。

圖1：典型的機器人輔助手術(shù)機器

這類(lèi)系統通常采用分散式電源架構設計。因此，它是以AC電源線(xiàn)供電，可能是110VAC或220VAC，然后轉換到能為48V電池組充電的隔離式48V DC電壓。48V總線(xiàn)電壓會(huì )流過(guò)整個(gè)系統，以對所有子系統的負載穩壓器的下行點(diǎn)供電，包括機器人手臂、系統電子、儀器和高清顯示。當AC主電源斷電時(shí)，電池組可用來(lái)維持系統的運行。然而，根據電池充電的狀態(tài)，電池組電壓可能會(huì )高于、低于或等于48V輸入，因而，要為此應用設計電源已成為一個(gè)挑戰。幸運的是，凌力爾特公司最近推出LT8705，這是80V同步降壓-升壓型控制器，可解決這樣的電源需求問(wèn)題。

新的設計方法

LT8705是效率非常高(高達98%)的同步降壓-升壓型DC/DC控制器，輸入電壓能夠以高于、低于或等于穩壓的輸出電壓運行。該器件有四個(gè)可調節輸入電流/電壓以及輸出電流/電壓的反饋環(huán)路。輸出電流環(huán)路可為電池充電器提供已調輸出電流，或作為電流源。通過(guò)使用具備4開(kāi)關(guān)同步整流的單一電感器，LT8705能在2.8V至80V的寬廣輸入電壓范圍內運行，并產(chǎn)生一個(gè)1.3V至80V的輸出。單一器件最高可提供250W的輸出功率。若將多個(gè)電路并聯(lián)，還能實(shí)現更高的輸出功率。

其他的特性還包括：能夠顯示哪個(gè)反饋環(huán)路在啟用的伺服引腳、為外部器件供電的3.3V/12mA LDO、可調整的軟啟動(dòng)、內置的芯片溫度監測器，以及-40℃至125℃的工作結溫范圍。LT8705有38引腳、5mm x 7mm QNF，以及38引線(xiàn)TSSOP兩種封裝形式。同時(shí)，也可提供LT8705的LTspice電路模型，能容易地評估各種創(chuàng )新應用。

LT8705包含四個(gè)誤差放大器，能用來(lái)調節或限制輸出電流、輸入電流、輸入電壓和輸出電壓。在典型的應用中，通常會(huì )調節輸出電壓，其余的誤差放大器則是用來(lái)監控過(guò)高的輸入或輸出電流，或是輸入欠壓的情況。在電池充電器等其他應用中，輸出電流調節器能促進(jìn)恒定的電流充電，直到達到預先設定的電壓值為止，這時(shí)輸出電壓控制便會(huì )接管任務(wù)。在圖2顯示的電路圖中，此LT8705電路是用來(lái)為一個(gè)48V電池充電，并能在從36V至72V之間變化的輸入電壓范圍運行。把多個(gè)電路并聯(lián)在一起，便能用于更高功率的應用。電路中有4個(gè)外部MOSFET，能使此電路作為同步降壓-升壓型轉換器，并通過(guò)配置成為給4個(gè)串聯(lián)12V鉛酸電池充電的電流源。

圖2：LT8705電池充電器電路圖

電源開(kāi)關(guān)控制

圖3為簡(jiǎn)化的示意圖，其說(shuō)明了怎樣將4個(gè)電源開(kāi)關(guān)連接至電感器、VIN， VOUT和地。

圖3：由LT8705驅動(dòng)4個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化示意圖

當VININ明顯高于VOUT時(shí)，該器件將運行在降壓模式。在此區域中，M3始終關(guān)斷而M4始終導通，除非在突發(fā)模式(Burst Mode)操作或不連續模式中檢測到反向電流。在每個(gè)周期的起點(diǎn)，同步開(kāi)關(guān)M2首先接通，而電感器電流由一個(gè)內部放大器來(lái)檢測。一個(gè)斜率補償斜坡信號被加至檢測電壓，接著(zhù)與一個(gè)基準電壓進(jìn)行比較。在檢測到的電感器電流降至基準以下之后，開(kāi)關(guān)M2關(guān)斷，而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時(shí)間里接通。開(kāi)關(guān)M1和M2將